Explorarea aplicațiilor laserului cu fibră în imprimarea 3D a metalelor

Cel/Cea/Cei/Cele Manus aditivProcesul de fabricație (imprimare 3D) a materialelor metalice este foarte solicitat în domeniile aviației, aerospațialului, navigației, vehiculelor, fabricării matrițelor, echipamentelor medicale etc. În prezent, sursele de căldură utilizate în procesul de fabricație aditivă a metalelor includ trei fascicule de înaltă energie, și anume fasciculul laser, fasciculul de electroni și plasma cu microfascicul, precum și aportul de căldură de sinterizare. Printre acestea, fasciculul laser este cea mai utilizată sursă de căldură cu fascicul de înaltă energie în domeniul fabricației aditive a metalelor. Comparativ cu sursele de căldură cu fascicul de electroni și plasma cu microfascicul, fasciculul laser are avantajele punctului fin, costului redus și poate fi direcționat către poziția specificată a materialului. Poate realiza topirea instantanee a materialelor metalice și poate îndeplini cerințele de suprapunere a canalelor de topire și de formare a pieselor.

Principiile de bază ale imprimării 3D cu laser

Laserele utilizate în imprimarea 3D cu laser includ lasere cu fibră, lasere cu semiconductori, lasere Nd:YAG și lasere cu CO2. Diferite materiale absorb laserele cu lungimi de undă diferite în mod diferit. De obicei, laserele cu CO2 sunt utilizate pentru imprimarea polimerilor, în timp ce laserele cu fibră sunt utilizate pentru imprimarea pulberilor metalice.

Conform diferitelor metode de procesare, fabricația aditivă cu laser poate fi împărțită în sinterizare selectivă cu laser, topire selectivă cu laser, sinterizare directă cu laser a metalelor, depunere cu pulbere cu laser, depunere directă de metale etc. Printre acestea, topirea selectivă cu laser (SLM) este una dintre cele mai utilizate tehnologii de imprimare 3D cu laser a metalelor.

Structura de bază a dispozitivului de imprimare cu topire selectivă cu laser (SLM) este prezentată în figură. Înainte de imprimare, modelul 3D trebuie stratificat, iar apoi trebuie determinată traiectoria de scanare. Primul pas este răzuirea uniformă a mesei de lucru cu o racletă și întinderea unui strat de pulbere pe aceasta; al doilea pas este scanarea unei traiectorii specifice pe acest strat de pulbere cu un laser pentru a o topi și a imprima un strat; al treilea pas este mutarea mesei de lucru cu un strat în jos, apoi repetarea operației de mai sus pentru a stivui straturile de imprimare de jos în sus, formând astfel piesa 3D care urmează să fie imprimată. Pentru a preveni oxidarea, camera de lucru trebuie vidată și umplută cu gaz inert pe parcursul întregului proces.

Cererea de lasere în imprimarea 3D cu laser
Cererea de lasere în imprimarea 3D cu laser se reflectă în principal în două aspecte: pe de o parte, puterea și stabilitatea puterii, iar pe de altă parte, calitatea fasciculului și dimensiunea spotului.

01 Putere și stabilitate a puterii

Procesul de imprimare 3D se bazează în principal pe efectul termic al laserului. Intensitatea laserului trebuie să depășească un anumit prag de energie pentru a topi materialul. Prin urmare, se acordă mai multă atenție puterii medii de ieșire a laserului și nu este sensibil la modul puls al laserului. Prin urmare, se utilizează de obicei lasere cu fibră continuă, iar puterea este distribuită aproximativ între 100W și 1000W.
Cu cât modelul este mai mare și cu cât sunt mai multe straturi, cu atât timpul de imprimare este mai lung. Durata este, în general, de la câteva ore la zeci de ore. Prin urmare, există cerințe ridicate pentru funcționarea stabilă pe termen lung a laserului. Dacă temperatura este prea mare, pulberea metalică se poate arde excesiv și chiar poate cauza topirea altor piese formate; dacă temperatura este prea scăzută, pulberea metalică nu se topește complet, forța de lipire este insuficientă, iar forma componentei formate s-ar putea să nu fie menținută. Prin urmare, stabilitatea puterii laserului este crucială pentru calitatea imprimării.

02 Calitatea fasciculului și dimensiunea spotului

Calitatea fasciculului și dimensiunea spotului sunt unii dintre parametrii cheie care reflectă precizia imprimării. Imprimarea 3D se realizează prin scanare cu fascicul laser. Cu cât spotul laser este mai mic, cu atât precizia de scanare este mai mare, cu atât rezoluția modelului imprimat este mai mare și suprafața piesei imprimate este mai delicată.
Calitatea fasciculului este de obicei caracterizată prin BPP sau M2. Cu cât M2 este mai aproape de 1, cu atât calitatea fasciculului este mai bună, cu atât energia laserului este mai concentrată și cu atât efectul termic asupra zonei înconjurătoare este mai mic; în același timp, cu cât calitatea fasciculului este mai bună, cu atât unghiul de divergență corespunzător este mai mic și cu atât punctul focalizat va fi mai mic.

03 Explorările GW Laser Tech și FASTFORM în domeniul imprimării 3D
GW Laser Tech, în calitate de lider mondial în domeniul laserelor cu fibră de înaltă luminozitate, a explorat activ și acest domeniu de aplicare odată cu creșterea Tehnologie de imprimare 3Dși a lansat un laser cu fibră continuă monomod de 500 W, cu o grosime de 10 μm/14 μm, pentru aplicații de imprimare 3D, vizând dispozitive medicale, piese auto, industria aerospațială și alte domenii.

Printre acestea, diferitele diametre ale miezului de 10 μm și 14 μm determină dimensiunea spotului, care afectează în principal densitatea puterii laserului, adică cantitatea de energie luminoasă pe unitatea de suprafață. În aceleași condiții de putere, cu cât dimensiunea spotului este mai mică, cu atât densitatea puterii laserului este mai mare. Spoturile cu densitate mare de putere sunt potrivite pentru imprimarea pulberilor metalice cu puncte de topire ridicate sau reflexii ridicate.

Avantajele produsului:

➢ Design ultra-subțire și ușor, design de 19 inch cu înălțime de 1.5U, greutate

➢ Structura produsului adoptă un design închis, destinat mediului de imprimare 3D, îmbunătățind considerabil fiabilitatea generală a laserului, nivelul de protecție IP65 și putând funcționa continuu în medii dure, cum ar fi temperaturi ridicate, umiditate ridicată și praf ridicat.

➢ Puterea maximă este de 500 W, suficientă pentru a forma materiale metalice comune, cum ar fi oțelul inoxidabil austenitic, oțelul inoxidabil martensitic, aliajul de titan, aliajul pe bază de nichel pentru temperaturi înalte, aliajul de aluminiu, aliajul de magneziu etc.

➢ Stabilitate bună a puterii, fluctuație pe oră

➢ Calitate bună a fasciculului, M2

FASTFORM (FastForm) este o companie specializată în cercetarea și dezvoltarea tehnologiei și echipamentelor de imprimare 3D și poate oferi servicii de prototipare rapidă de top și soluții de asistență. Am stabilit o cooperare strânsă cu Guanghui Laser și vom efectua experimente și cercetări de imprimare 3D pe componente cheie în domeniile aerospațial, modelelor auto, biomedicinei etc. în viitor. Am lansat produse cu un singur laser FF-M140, modele FF-M150 specifice predării, modele FF-M180D cu laser dual specific stomatologiei, modele industriale FF-M300H cu laser de mare putere de 1000W, modele FF-M500 cu laser dual și produse FF-M800 cu patru lasere, toate fiind produse în serie și suportând soluții de localizare personalizate. Am dezvoltat independent FastLayer, un software de tăiere și generare de trasee multi-laser. Echipamentul este complet automat și nesupravegheat.

Acest produs are următoarele avantaje semnificative:

➢ Tehnologie de împrăștiere a pulberii bidirecțională și cu viteză variabilă, rată ridicată de utilizare a pulberii.

➢ Software dezvoltat independent pentru a finaliza automat felierea și planificarea traseului cu un singur clic.

➢ Vine cu propria cameră, care poate realiza control complet automat și operare nesupravegheată de la distanță.

➢ Echipamentul adoptă o structură de sudură integrată, care este foarte stabilă și ușor de instalat.

Starea actuală și perspectivele de dezvoltare ale industriei de imprimare 3D
În prezent, imprimarea 3D a intrat în era prototipării rapide. Conform statisticilor Institutului de Cercetare a Industriei de Afaceri din China, industria mașinilor a reprezentat cea mai mare proporție a domeniilor de aplicare din aval în 2021, ajungând la 17,5%, urmată de electronica de larg consum (16,6%) și automobile (16,1%). Odată cu dezvoltarea rapidă a electronicii de larg consum și a industriei auto, domeniile de aplicare ale imprimării 3D în aceste două domenii vor fi extinse în continuare în viitor.

În ceea ce privește amploarea industriei, conform previziunilor China Investment Network: rata medie anuală compusă de creștere a imprimării 3D din 2021 până în 2025 va fi de aproximativ 26,59% și va ajunge la 70,1 miliarde de yuani în 2025.

Imprimarea 3D acoperă trei aspecte: echipamente, materiale și servicii, printre care echipamentele de imprimare reprezintă cea mai mare pondere. Conform datelor publicate de CCID, amploarea industriei de echipamente de imprimare 3D din China în 2020 a fost de 9,254 miliarde de yuani, reprezentând cea mai mare proporție.

În prezent, prețul echipamentelor de imprimare 3D este încă relativ ridicat. Pe de o parte, acest lucru se datorează brevetelor și monopolurilor străine. Pe de altă parte, industria 3D din țara mea a început târziu, cererea este mică, iar gradul de autonomie este scăzut. Odată cu modernizarea și dezvoltarea industriei manufacturiere de înaltă performanță din țara mea, dezvoltarea tehnologiei și reducerea costurilor, industria de imprimare 3D din țara mea va arăta o tendință de creștere a localizării în viitor. Cooperarea strânsă dintre producătorii de echipamente este crucială pentru promovarea dezvoltării la scară largă a tehnologiei de imprimare 3D.

Guanghui Laser nu se concentrează doar pe cercetarea și inovarea tehnologiei produselor laser, ci continuă și să exploreze domeniul tehnologiei de procesare cu laser și se angajează să ajute clienții să rezolve problemele legate de aplicații. În calitate de producător autohton de echipamente de imprimare 3D, FASTFORM este familiarizat cu toate aspectele imprimării 3D și are o echipă de consultanță experimentată pentru a oferi clienților produse profesionale de înaltă calitate în domeniul imprimării 3D. În viitor, Guanghui Laser va colabora cu FASTFORM pentru a promova aplicarea și dezvoltarea tehnologiei de imprimare 3D cu laser în China și pentru a contribui la modernizarea industriei. Sursa: Guanghui Laser Autor: Inginer de aplicații Gu Jiaxing